Sommige nieuwe materialen die te mooi klinken om waar te zijn, blijken waar en goed te zijn. Een opkomende klasse van halfgeleiders, die onze toekomst betaalbaar zou kunnen verlichten met genuanceerde kleuren afkomstig van lasers, lampen, en zelfs vensterglas, zou het laatste voorbeeld kunnen zijn.

Deze materialen zijn zeer stralend, gemakkelijk te verwerken vanuit oplossing, en energiezuinig. De knagende vraag of hybride organisch-anorganische perovskieten (HOIP's) echt zouden kunnen werken, kreeg zojuist een zeer bevestigend antwoord in een nieuwe internationale studie onder leiding van fysisch chemici van het Georgia Institute of Technology.

De onderzoekers observeerden in een HOIP een "rijkdom" van halfgeleidende fysica gecreëerd door wat zou kunnen worden omschreven als elektronen die dansen op chemische onderbouwingen die wiebelen als een funhouse-vloer bij een aardbeving. Dat gaat in tegen conventionele wijsheid, omdat gevestigde halfgeleiders vertrouwen op starre, stabiele chemische fundamenten, Het is te zeggen, stillere moleculaire kaders, om de gewenste kwantumeigenschappen te produceren.

"We weten nog niet hoe het werkt om deze stabiele kwantumeigenschappen te hebben in deze intense moleculaire beweging, " zei eerste auteur Felix Thouin, een afgestudeerde onderzoeksassistent bij Georgia Tech. "Het tart de natuurkundige modellen die we moeten proberen uit te leggen. Het is alsof we nieuwe natuurkunde nodig hebben."

Quantum eigenschappen verrassing

Hun ronddraaiende wirwar hebben HOIP's tot een uitdaging gemaakt om te onderzoeken, maar het team van onderzoekers van in totaal vijf onderzoeksinstituten in vier landen slaagde erin een prototypische HOIP te meten en vond zijn kwantumeigenschappen vergelijkbaar met die van gevestigde, moleculair stijve halfgeleiders, waarvan vele op grafeen zijn gebaseerd.

"De eigenschappen waren minstens zo goed als in die materialen en kunnen nog beter zijn, " zei Carlos Silva, een professor in de School of Chemistry and Biochemistry van Georgia Tech. Niet alle halfgeleiders absorberen en zenden ook goed licht uit, maar HOIP's wel, waardoor ze opto-elektronisch zijn en dus potentieel bruikbaar in lasers, LED's, andere verlichtingstoepassingen, en ook in fotovoltaïsche energie.

Het gebrek aan stijfheid op moleculair niveau in HOIP's speelt ook een rol bij het flexibeler produceren en toepassen ervan.

Silva leidde het onderzoek samen met natuurkundige Ajay Ram Srimath Kandada. Hun team publiceerde de resultaten van hun onderzoek naar tweedimensionale HOIP's op 8 maart, 2018, in het journaal Fysiek beoordelingsmateriaal . Hun onderzoek werd gefinancierd door EU Horizon 2020, de Natural Sciences and Engineering Research Council van Canada, de Fond Québécois pour la Recherche, de Onderzoeksraad van Canada, en de National Research Foundation van Singapore.

De 'oplossing oplossing'

Algemeen, halfgeleidende eigenschappen komen voort uit statische kristalroosters van netjes met elkaar verbonden atomen. In silicium, bijvoorbeeld, die wordt gebruikt in de meeste commerciële zonnecellen, het zijn onderling verbonden siliciumatomen. Hetzelfde principe geldt voor grafeenachtige halfgeleiders.

"Deze roosters zijn structureel niet erg complex, ' zei Silva. 'Ze zijn maar één atoom dun, en ze hebben strikte tweedimensionale eigenschappen, dus ze zijn veel stijver."

"Je beperkt deze systemen krachtig tot twee dimensies, " zei Srimath Kandada, die een Marie Curie International Fellow is bij Georgia Tech en het Italian Institute of Technology. "De atomen zijn gerangschikt in oneindig uitgestrekte, vlakke platen, en dan komen deze zeer interessante en wenselijke opto-elektronische eigenschappen naar voren."

Deze beproefde materialen maken indruk. Dus, waarom HOIP's nastreven, behalve om hun verbijsterende fysica te verkennen? Omdat ze op belangrijke manieren praktischer kunnen zijn.

"Een van de overtuigende voordelen is dat ze allemaal zijn gemaakt met behulp van verwerking bij lage temperatuur uit oplossingen, " zei Silva. "Het kost veel minder energie om ze te maken."

Daarentegen, Op grafeen gebaseerde materialen worden geproduceerd bij hoge temperaturen in kleine hoeveelheden die vervelend kunnen zijn om mee te werken. "Met dit spul (HOIP's), je kunt grote batches in oplossing maken en er een heel venster mee bekleden als je wilt, ' zei Silva.

Funhouse in een aardbeving

Voor al het wiebelen van een HOIP, het is ook een zeer geordend rooster met zijn eigen soort stijfheid, hoewel minder beperkend dan in de gebruikelijke tweedimensionale materialen.

"Het is niet zomaar een enkele laag, "Zei Srimath Kandada. "Er is een zeer specifieke perovskiet-achtige geometrie." Perovskiet verwijst naar de vorm van een HOIPs-kristalrooster, dat is een gelaagde steiger.

"Het rooster assembleert zichzelf, " Srimath Kandada zei:"en het doet dit in een driedimensionale stapel gemaakt van lagen tweedimensionale vellen, maar HOIP's behouden nog steeds die gewenste 2D-kwantumeigenschappen."

Die vellen worden bij elkaar gehouden door lagen met een andere moleculaire structuur die een beetje lijkt op een vel elastiekjes. Daardoor wiebelt de steiger als een funhousevloer.

"Op kamertemperatuur, de moleculen wiebelen alle kanten op. Dat verstoort het rooster, waar de elektronen leven. Het is echt intens, " zei Silva. "Maar verrassend genoeg, de kwantumeigenschappen zijn nog steeds erg stabiel."

Het is belangrijk dat kwantumeigenschappen werken bij kamertemperatuur zonder dat ultrakoeling nodig is voor praktisch gebruik als halfgeleider.

Teruggaand naar waar HOIP voor staat - hybride organisch-anorganische perovskieten - zo paste het experimentele materiaal in de HOIP-chemische klasse:het was een hybride van anorganische lagen van een loodjodide (het stijve deel) gescheiden door organische lagen (de rubberen bandachtige delen) van fenylethylammonium (chemische formule (PEA)2PbI4).

Het lood in dit prototypische materiaal zou kunnen worden verwisseld voor een metaal dat veiliger is voor mensen om te hanteren voordat een toepasbaar materiaal wordt ontwikkeld.

Electron choreografie

HOIP's zijn geweldige halfgeleiders omdat hun elektronen een acrobatische square dance doen.

Gebruikelijk, elektronen leven in een baan rond de kern van een atoom of worden gedeeld door atomen in een chemische binding. Maar HOIP chemische roosters, zoals alle halfgeleiders, zijn geconfigureerd om elektronen breder te delen.

Energieniveaus in een systeem kunnen de elektronen vrijmaken om rond te rennen en deel te nemen aan zaken als de stroom van elektriciteit en warmte. de banen, die dan leeg zijn, worden elektronengaten genoemd, en ze willen de elektronen terug.

"Het gat wordt gezien als een positieve lading, en uiteraard, het elektron heeft een negatieve lading, ' zei Silva. 'Dus, gat en elektron trekken elkaar aan."

De elektronen en gaten racen om elkaar heen als danspartners die paren met wat natuurkundigen een 'exciton' noemen. Excitonen werken en lijken veel op deeltjes zelf, hoewel het niet echt deeltjes zijn.

Hoppend bi-excitonlicht

Bij halfgeleiders, miljoenen excitonen zijn gecorreleerd, of gechoreografeerd, met elkaar, wat zorgt voor gewenste eigenschappen, wanneer een energiebron zoals elektriciteit of laserlicht wordt toegepast. Aanvullend, excitonen kunnen paren om bi-excitonen te vormen, het versterken van de energetische eigenschappen van de halfgeleider.

"In dit materiaal we ontdekten dat de bi-excitonbindingsenergieën hoog waren, "Zei Silva. "Daarom willen we dit in lasers stoppen, omdat de energie die je invoert uiteindelijk 80 of 90 procent wordt als bi-excitons."

Bi-excitonen stoten energetisch omhoog om input-energie te absorberen. Dan trekken ze energetisch samen en pompen licht uit. Dat zou niet alleen werken in lasers, maar ook in LED's of andere oppervlakken die het opto-elektronische materiaal gebruiken.

"Je kunt de chemie (van HOIP's) aanpassen om de breedte tussen bi-excitontoestanden te regelen, en dat regelt de golflengte van het uitgestraalde licht, "Zei Silva. "En de aanpassing kan heel fijn zijn om je elke golflengte van licht te geven."

Dat vertaalt zich in elke lichtkleur die het hartje begeert.